探究建筑結構設計的優化方法及應用

摘 要：建筑結構的穩定性和安全性決定了建筑的使用壽命和質量，建筑結構設計涉及工程造價以及施工技術問題，同時還要兼顧一定美觀性和功能性。因此優化建筑結構設計，具有重要意義。本文基于建筑結構設的角度，首先介紹優化建筑結構設計的常規步驟，隨后提出具體的優化方法以及應用。

關鍵詞：建筑結構；設計方法；剪力墻；優化模型

前言：建筑行業隨著我國城市化進程快速發展，由此涌現一大批建筑企業，為了保持各自企業的競爭優勢，在各自施工技術水平相持平的前提下，企業會在建筑結構質量上下功夫，通常是采用優化建筑結構設計的方法。對于企業來說，科學、合理的建筑結構設計方案有效提高建設資金的使用率，為企業賺取更多利潤。

1 優化建筑結構設計的常規步驟

這一步驟是建筑結構優化的關鍵步驟，通過獲取其結構的相關參數，建立模型并進行分析和處理，最后計算出模型的最優解。建立優化模型需要做好以下兩點：第一，從大量變量參數中選取科學、合理的作為模型參數，這些工作決定了優化模型的準確性與有效性，同時也影響著最優解的求解復雜度與工作量。第二，確立目標函數，它是優化模型的基礎部分，也是最優解的過程依據，目標函數約束了建立模型的約束條件，如強度、尺寸、應力、彈塑性。

確立了優化模型、約束條件以及參數后，利用這三者計算方案設計，基于最優化數理統計要求，需將約束條件轉為非約束條件，才能繼續開展優化。接著采用合理的優化算法，確保模型收斂性、穩定性獲得全局唯一最優解。

完成計算方案后，將各項參數輸入計算機中，并進行程序編寫，利用其自動優化處理，得出最終方案。根據得出的方案，再綜合考慮經濟、政策以及實現條件等因素，保證方案的科學性和可行性。其中時間和人力成本應列為方案分析的優先級，保證建筑安全和質量的前提下，盡可能將兩者降至最低。具體包括技術指標與經濟指標之間找到合適的平衡點，以此節省建設資金，采用新技術減少不必要的資金、材料、成本消耗[1]。

2 建筑結構優化的具體應用

2.1樁基礎偏差控制和處理

樁基礎施工中容易造成樁偏差，因此要重點關注承臺樁以及條形承臺樁，樁位偏差會產生較大附加內力，使得樁基設計處于不穩定狀態。對于樁基豎向偏差，可以通過控制樁頂標高的允許偏差為-50～+100mm，但這樣操作在實際施工中工作量更大且損失更多。出現樁頂標高高于設計標高的情況，應截樁處理。需要注意的是預應力砼管樁樁頂有樁帽，如果進行截樁帶來較大的施工難度，同時也不經濟。當樁頂標高低于設計標高，有需要為此補樁頭，同樣也會影響整體工程的工期和增加造價。根據以上兩個問題，必須嚴格控制樁頂標高，盡最大可能使工程標高與設計標高保持一致，還要考慮樁在卸載后的回彈量，以此保證每根樁高于設計標高。設計方案時，要對樁基施工存在的誤差問題納入方案影響因素的考慮，首先在方案中將偏差容許控制在20mm左右，由此避免大量小偏差樁的截樁；其次規定樁位的水平偏差，樁徑偏差或邊長控制在二分之一左右。需要特別注意的是，上述偏差控制內容只為滿足設計要求，僅代表樁本身驗收合格。對于由此引起的承臺整體偏心，還需要另行采取措施，如增加承臺剛度或配筋的措施。

2.2優化房屋分布結構

房屋部分結構優化設計主要包括：拉梁、荷載、鋼筋混凝土結構、剪力墻結構等基礎內容，對以上部分進行優化和處理，是實現建筑房屋結構整體優化的關鍵。對于房屋基礎拉梁結構，設計師應根據要求的高度、層數考慮房屋的防震性和穩固性。計算基礎樁基與基礎拉梁的配筋率，以此確保兩者的和諧一致。設計師常忽略建筑地質、風力以及氣候等因素，應將其納入優化設計的考慮。

對于房屋荷載設計，首先要對建筑周圍的地質情況進行詳細的調查，明確地基的受荷載能力，并綜合風力、氣候等元素設計其基礎結構。針對鋼筋混凝土和剪力墻結構，應采用常規步驟，先對結構整體和部件受力進行預先演算，通過核定單元截面受力優化不斷推進，得出整體結構的優化。通過上述方法，得出最科學、合理、安全穩定的結構設計[2]。

2.3建筑使用壽命優化以及上部結構優化

優化建筑結構設計，并采取相應的優化方法能夠延長建筑的使用壽命，提升建筑企業的經濟效益。建筑結構設計有一定的時效性，隨著時間推移，在技術、結構以及材料的共同作用下，其使用壽命不斷減少。例如，在經過一定時間后，建筑的材料開始喪失其功能，但是結構、技術方面還發揮著應有的作用，因此只需要針對材料方面進行分段優化即可。因此在建筑結構設計中，要充分考慮建筑分段優化的需求和特點。

上部結構優化，主要集中在剪力墻結構上部結構，通過合理布設剪力墻，促進其整體質量均勻，保證樓層中心與樓層平面剛度中心重合，在發生自然災害如地震、臺風等，能夠最大限度減弱其對剪力墻的影響。基于此優化要求，應使用大開間剪力墻，延長墻肢長度，并在滿足設計規范和要求的前提下減少墻肢數量，以此減少混凝土使用量。若是建筑剪力墻本身的抗震性能弱，應減少大開間剪力墻的設計和應用。

2.4建筑協調性優化

保證結構與建筑整體平面的協調與配合，對于墻壁、建筑柱設計，應滿足建筑內部平面使用需求，確保房間開間、進深統一。需要注意的是，墻、柱避免出現錯位情況，應秉著簡潔的要求進行設計和布置。各樓層墻柱高度與截面面積保持參數一致。對于電梯、樓梯設計，將高強度承重構件布置于轉角區域，促使該區域應力集中。

結論：綜合上述，建筑結構設計優化，要選取科學、合理的變量參數并建立優化模型，還要做好樁基礎偏差控制和處理、優化房屋分布結構、優化建筑使用壽命以及上部結構、優化建筑協調性，通過以上措施提升建筑建造質量，提高企業經濟效益。

參考文獻：

[1] 付明陽.建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用研究[J].江西建材，2017（02）：76+79.

[2] 丁博.試述建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用[J].建材與裝飾，2015（51）：65-66.

作者簡介：蘭正剛（1973年—）男，籍貫：四川省瀘州市瀘縣，職稱：工程師，研究方向：探究建筑結構設計的優化方法及應用。